大中型沼气工程技-文档资料

1,大中型沼气工程技术及项目设计,重点：厌氧消化器沼气工程设计,2,大中型沼气工程界定,模式：能源环保模式、能源生态模式,杭州浮山养殖场能源生态沼气工程示意图,3,灯塔养殖场能源环保型沼气工程,4,沼气工程规模分类指标,5,大中型沼气工程的国内外研究进展,6,1、国外沼气工程发展现状,据世界银行统计数据显示：截止2007年年底，欧洲沼气产量达到590万吨油当量（相当于70亿立方米天燃气）。其中德国为191万吨油当量/年，英国为170万吨油当量/年。德国、瑞典、英国、美国等欧美发达国家在沼气工程发展现状也代表了国际沼气工程产业的现状。,7,德国在欧洲国家中，德国是发展中小型农场沼气工程的典型代表，主要动力来自于一些优惠鼓励政策的出台。,可再生能源优先法2000年,电力并网法（1990）,沼气工程数量：1992年139家，2000年1050家，2003年3000家，2006年底3500座沼气发电的装机总量1999年50兆瓦2002年250兆瓦2008年的1300兆瓦。德国沼气协会估计,到2020年,总装机将达到9500兆瓦。,8,瑞典,瑞典是使用沼气作汽车燃料最先进的国家。1996年，瑞典开始把沼气提纯至甲烷含量95%以上作为汽车燃料使用，并制定了相关标准。,目前，有779辆沼气燃料公共汽车，4500辆汽油、沼气与天然气混合燃料的小汽车。2004年开始，也有火车以这种方式运行。在瑞典，交通工具所使用的气体燃料中，沼气占54%，其余是天然气。,2004年开始，哥德堡等城市把沼气与天然气管网连接，输送到用户。瑞典沼气协会估算，若以10%农地和林业废弃物生产沼气，沼气生产能力将达到853万吨油当量/年，而目前的瑞典全国能耗仅为768万吨油当量，到2020年瑞典成为世界上第一个不依赖石油的国家。,9,英国,2002年英国开始实行绿色证书系统可再生能源义务证书系统，该系统要求电力供应商每年增加可再生能源发电的份额，20052006年度为5.7%，2015年将达到15.4%。该系统中，沼气是最具代表性的可再生能源，沼气份额的增加主要是填埋气发电市场的增加，填埋气是绿色证书系统的受益者。20042005年度，沼气占可再生能源发电的35.9%（填埋气占33.6%，污水处理沼气占2.3%）。,10,美国,美国在沼气方面主要集中在基础研究上，如产甲烷菌的基因排序、厌氧消化的生化过程、厌氧消化微生物菌群结构及沼渣沼液中的特殊生物酶，而应用技术研究相对较少。,美国把沼气作为能源开发利用主要是垃圾填埋气，目前，垃圾场是美国沼气生产的主要来源，占总数的34。2007年，美国垃圾管理公司已在北美运行281个垃圾场，其中100个已经具有某些沼气转换能源的能力。,美国更注重新技术研发，已开始试验沼气燃料电池替代传统的内燃机发电。,11,中国,八十年代以来，规模化养殖场的逐年增加，畜禽粪便污染日趋严重；与此同时，我国农村用能短缺，大中型沼气工程迎来了第一个快速发展期。,中央投资不断增加政策给予大力倾斜,截至2008年底，我国畜禽养殖场沼气工程达39510处，总池容451.476万立方米，年产沼气约5.2亿立方米。,大型工程2761处，年产沼气约2.7亿立方米中型工程12864处年产沼气约1.8亿立方米小型沼气工程23885处，年产沼气7096万立方米。,12,大中型沼气工程厌氧消化器,分类指标消化器类型,13,分类指标,HydraulicRetentionTime(HRT)HRT：一个消化器内的发酵液按体积计算被全部置换所需要的时间，单位为天（d）或小时（h）。,HRT(d)=V/QV:消化器有效容积（m3）Q:每天进料量（m3）,投配率（%）=【每天进料体积（m3）/消化器有效容积】*100%消化器体积=【每天的污水量（m3）*HRT（d）】/消化器有效容积（%),14,SRT,SolidsRetentionTime(SRT)SRT是指悬浮固体物质从消化器里被置换的时间。,SRT=(TSSr)(RV*Dr)/(TSSe)(EV*De)TSSr-消化器内总悬浮固体的平均质量分数TSSe-消化器出水的总悬浮固体的平均质量分数RV-反应器体积；EV-每天出水的体积Dr-消化器内固体物的密度；De-出水里的固体物的密度,SRT与HRT的关系：完全混合消化器、非完全混合消化器,15,DairyWasteVolatileSolidsDestruction,16,MRT,MicrobRetentionTime(MRT)MRT是指微生物细胞的生成到被置换出消化器的时间。,MRT、微生物增代时间与消化器消化能力之间的关系,qmax称为基质最大比消耗速率。,17,厌氧消化器分类,18,厌氧消化器,常规型、污泥滞留型、附着型,19,常规型,1.常规消化器,20,或称普通消化池。当无辅助搅拌装置时，固体停留时间为30d60d，有机负荷为1.6kgVS（挥发性固体）/m3d；当有辅助搅拌装置时，水力停留时间一般为6d30d，有机负荷为8kgVS/m3d。,2全混合式厌氧反应器（AP）,特点：在一个池内完成厌氧消化和污泥分离；混合均匀、避免堵塞、气体逸出不畅现象。,沼气,出水,排泥,原料,全混合厌氧反应器,缺点：底物未完全消化，搅拌耗能高，消化器需要体积大，实际运行较难。,21,3.塞流式消化器（PFR）,特点：原料在消化器内呈活塞式推移状态，适宜悬浮固体物和有机废水的处理，如牛粪、酒精废醪液等等。,优点：无需搅拌，结构简单，能耗低；适用高SS废物的处理；运转方便，故障少，稳定性高。,缺点：固体物易沉底，影响消化器有效体积；需要固体和微生物回流接种；容器内温度难保持一致，效率低；易产生结壳。,22,厌氧接触反应器排出的混合液在沉淀池中分离后再回流到反应器中。与普通消化池相比，它不需要很长的水力停留时间或很大的反应器容积。有效处理的关键在于污泥沉淀性能和污泥分离效率。,1厌氧接触工艺,真空脱气器,沉淀池,出水,回流污泥,污泥滞留型,优点：底物能混合均匀，能在较高的负荷运行。缺点：需要额外的设备投资。,23,有机负荷：为2.1kg(BOD)/m3d5.0kg(BOD)/m3d或12.5kg(COD)/m3d30.0kg(COD)/m3d。,适宜温度：多数是在中温范围,适宜浓度：该法适用于处理BOD5大于1500mg/L的废水，出水的BOD5在200mg/L1000mg/L之间。,厌氧接触工艺运行参数,24,2.升流式厌氧污泥床（UASB）,上流式厌氧污泥床反应器有圆形、矩形，高度一般为3-8米，小型反应器多为圆形，大型反应器多为矩形。,UASB是Lettinga于1974-1978年研制的新工艺，目前发展最快，应用广泛的消化器。特点：结构简单、运行费用低、处理效率高；要求：处理可溶性废水，要求较低的悬浮固体含量。,25,UASB工作原理,沼气,气室,沉降室,气、固、液分离示意图（德国的专利技术）,液、固混合液通道,污泥床,悬浮层,26,UASB,优点：除三项分离器外消化器结构简单，没搅拌装置及填料；长的SRT及MRT使其实现了很高负荷率；颗粒污泥的形成使微生物天然固定化，增加了工艺的稳定性；出水SS含量低。,缺点：需要安装三项分离器；需要有效的布水器，使进料能均布于消化器底部；进水要求低SS含量；在高水力负荷或高SS负荷时易流失固体和微生物，运行技术要求较高。,27,UASB,接种物1）能够适应将要处理的有机物，特别是在处理有毒物质时这一点更重要；2）污泥需具有良好的沉降性能。接种物的获取,启动注意事项：1）最初污泥负荷应低于0.10.2kgCOD/(kgVSS.d)；2）污水中的各种挥发性酸未能有效分解之前不应提高反应器负荷；3）环境条件应有利于沼气发酵细菌的繁殖。,28,污泥的分布与流失,29,UASB,颗粒污泥：由厌氧消化细菌和胞外多聚物构成的微生物颗粒。颗粒污泥形状：范围0.25mm,成熟直径23mm;,产酸菌,产氢产乙酸菌甲烷八叠球菌甲烷螺菌,乙酸裂解菌,30,颗粒污泥图片,颗粒污泥,电镜扫描图片,细菌分裂照片,31,3.膨胀颗粒污泥床（EGSB）,1-配水系统；2-反应区；3-定相分离器；4-沉淀区；5-出水系统；6-出水循环系统,改进的UASB;高度达2030m的反应器，具有高速回水流，可低温条件下运行；COD去除率高；运行条件和控制技术要求高，不适合用于处理固体物含量高的废水。,32,4.内循环厌氧反应器,内循环（internalcirculation)厌氧反应器,1进水；2第一反应室集气罩；3沼气提升管；4气液分离器；5沼气导管；6回流管；7第二反应室集气罩；8集气管；9沉淀区；10出水管；11气封；,1986年由荷兰某公司研究成功并用于生产内循环厌氧反应器，是目前世界上效能最高的厌氧反应器。该反应器是集UASB反应器和流化床反应器的优点于一身，利用反应器内所产沼气的提升力实现发酵料液内循环的一种新型反应器。,33,IC反应器结构与原理,两个UASB反应器叠加16-25m，高径比4-8；优点：1）具有很高的容积负荷率；2）节省基建投资和占地面积；3）沼气提升实现内循环，不必外加动力；4）抗冲击负荷能力强；5）具有缓冲pH的能力。,34,5.升流式固体反应器（USR）,USR是一种结构简单、适用于高悬浮固体原料的反应器。未消化的固体颗粒和沼气发酵微生物靠自然沉降滞留于消化器内，提高了固体有机物的分解率和消化器的效率。该反应器效率接近UASB功能，但适用于高SS原料，应用前景广阔。,35,6.折流式反应器,每个单元相当于一个反应器；适用于低浓度的生活污水处理；效果不理想原因：1是进料负荷集中于第一个小室，超负荷运行易酸化；2是酸化的料液会影响后面的料液。,36,附着膜型消化器,附着膜型消化器的特征是在反应器内安装有惰性支持物（又称填料）供微生物附着，并形成生物膜。这就使进料中的液体和固体在穿流而过的情况下，滞留微生物于生物膜内，并且在HRT相当短的情况下，可阻止微生物冲出。,这类反应器SRT较短，影响固体物的转化，因此只适用于处理低浓度、低SS有机废水。,这类消化器有：厌氧滤器、流化床和膨胀床。后两种反应器多处于实验室研究阶段。,37,1.厌氧滤器（AF）,厌氧滤器AF在实用上多用纤维或硬塑料作为支持物，使细菌附着于表面形成生物膜。,不适用于高SS含量的进料，因为它们能很快堵塞该体系，生产上应用较少。可以考虑用做两阶段厌氧消化的甲烷化阶段。,填料：（1）为厌氧微生物提供附着生长的表面积；（2）高空隙率；焦炭、煤渣、塑料制品、合成纤维,38,污泥排放,沼气,出水,薄层填料,部分充填载体型结构的平流式厌氧滤池示意图,为了防止堵塞可采用部分充填载体型结构方式。此外采用平流式厌氧滤池也有利于改善容易发生堵塞的不足。厌氧滤池的清洗缺少简便易行的工艺方法。,39,AF,AF优点：运行费用低，不需要搅拌；因效率较高，可缩小消化器体积；微生物固着在惰性介质上，MRT相当长，微生物浓度高，运转稳定；更能承受负荷的变化。,AF缺点：填料的费用较多（可达总造价的60%）；由于微生物的积累，增加了运转期间料液的阻力；易生堵塞和短路；只能处理低SS含量的废水；通常需要较长的启动期。,40,填有比表面积很大的惰性载体颗粒的反应器，载体颗粒在整个反应器内均匀分布。分为膨胀床和流化床。膨胀床运行流速控制在略高于初始流化速度，相应的膨胀率为1530。流化床一般按40200的膨胀率运行。,2厌氧流化床（AFB）,进水,循环泵,沼气,出水,厌氧流化床反应器示意图,临界流态化速度,颗粒带出速度,41,厌氧流化床（FBR）和膨胀床反应器（EBR）,优点：有大的比表面积供微生物附着；可以达到更高的负荷；因为有高浓度的微生物使运行更稳定；能承受负荷的变化；在长时间停运后可更快地启动；消化器内混合状态较好。,缺点：使颗粒膨胀或流态化需要高的能耗和维持费；支持介质可能被冲出，损坏泵或其他设备；在出水中回收介质颗粒势必要花更多的经费；不能接受高固体含量的原料；需要长的启动期；可能需要脱气装置从出水中有效地分开介质颗粒和悬浮固体。,42,固态发酵（干发酵）国外,20世纪90年代起，以德国为代表的发达国家开始进行沼气间歇固态发酵（干法发酵）技术及工业级装备研发。,目前欧洲干法发酵的工程设施主要有以下五种类型：车库型、气袋型、渗出液存贮桶型、干湿结合型和贮罐型。2002年，德国BIOFERM公司、BEKON公司等厂家生产的车库型工业级装备已进入生产性验证，在控制、安全等方面较完备，但投资较高。,43,中国,覆膜干式厌氧发酵槽反应器（MCT）该技术是以粪便、秸秆、有机垃圾等为原料，通过堆沤或好氧升温后，批量投入厌氧消化器进行发酵生产沼气的厌氧消化技术。该技术是在没有或几乎没有自由流动水的状态下进行的沼气发酵过程，适合处理固体浓度在20%以上的发酵物料，可同时生产沼气及固体有机肥料。,44,技术特点：,覆膜干式厌氧发酵槽反应器一般需要设计多个发酵槽。本示意图是采用8个发酵槽的情况，其中4个处于厌氧产气阶段，1个处于好氧预处理升温阶段，3个处于脱水制肥阶段。,好氧升温厌氧消化好氧堆肥,利用好氧发酵的生物能使固体原料升温，辅以高效的保温措施，不用外加热源，可使物料在厌氧产气期内保持“中温”（3542）状态，且每天的温降小于0.15，有效地提高了沼气产气率，减少了系统的能耗，降低了运行成本。,45,固态物料两相沼气发酵系统,国外2006年美国加州大学DAVIS分校成功研制了APS技术，可以用于含有干物质成分高的废弃物的处理。由于此技术可以实现高速发酵，因此所需要占地面积小。经发酵后的物料可以用作于高效的有机肥。,46,国内固相产酸、液相产甲烷串联沼气发酵系统（SAPS）,该技术采取固态产酸与液态产甲烷相结合工艺，该系统由多个固体床（水解酸化反应器）串联一个产甲烷反应器组成。固态有机物首先在固体床中进行水解和酸化反应，渗滤液通过底部筛板进入渗滤液收集箱，该中间产物作为底物进入高效液相湿式厌氧反应器中进行甲烷化处理，出水回流到固体床中加速对底物的水解酸化。整个工艺过程中，系统没有液体排出，产生的固体残渣可以通过后续处理生产有机肥。通过渗滤液集中收集、沼液喷淋和搅拌等方式，提高系统的消化速率和稳定性，解决传统固体废弃物厌氧发酵中出现的易酸化、难搅拌、产气不稳定等难题。,47,工程的核心内容,48,设计要求,Whydoyouwanttobuildabiogasplant?工程目标：一是以生产沼气和利用沼气为目标；二是以达到环境保护要求，排水负荷国家规定的标准为目标；三是前两个目标的结合，对沼气、沼渣和沼液进行综合利用实现生态环境建设。Considerinputandoutput考虑输入和输出情况Trytofixlonglastingcontractswhere/howtogetsubstrateandhowtousethesubstrate争取达成长期持续性的合同，如何获得底物，以及如何使用这些底物,49,设计内容,设计依据：工程建设的批复文件、国家对资源综合利用方面的优惠政策、国家对工程建设项目的相关规定、工程设计的技术依托单位；,共性的设计内容：工程选址和总体布置设计、工艺流程设计、前处理工艺段设备选型与构筑物的设计、厌氧消化器结构形式的设计、后处理工艺段设备选型与构筑物设计、储气罐设计、沼气输气管网设计及安全防火篇章等。,50,工程实例设计,项目背景：楚雄市东华镇养猪场2.8万头猪每天产生的500m3粪便废水处理工程；,设计依据：云南省大中型沼气工程项目(国家发改委、云南省发改委共同立项），技术依托：教育部可再生能源重点研究中心；,目标：利用养殖场废弃物产沼气，集中供气和发电；利用沼液沼渣生产有机肥项目。,工程建设单位：云南省楚雄市东华镇楚雄市明宏生态科技有限责任公司,51,工艺流程,52,厌氧消化器的设计,设计总体要求：（1）应最大限度地满足沼气微生物的生活条件，要求消化器内能保留大量的微生物。（2）应具有最小表面积，有利于保温，使其散热损失量最少。（3）要使用很少的搅拌动力，即可使新进的料液与消化器内的污泥混合均匀。（4）易于破除浮渣，方便去除器底沉积污泥。（5）要实现标准化、系列化生产。（6）能适应多种原料发酵，且滞留期短。（7）应设有超正压和超负压的安全措施。,53,消化器设计主要参考内容,设计消化器要根据所处理原料的物理特点，以竭尽全力为沼气微生物创造良好的活动条件为目的。,消化器结构形式是有该工程所处理原料的水质条件和最终要达到的处理目标要求来决定的，也与设计者的技术水平和实践经验密切相关。,要明确工程最终处理目标是达标排放的环保项目，还是对沼气、沼渣、沼液综合利用的生态工程项目。,54,消化液的容积计算,消化液容积与每日处理原料量、消化液浓度、消化液密度和水力滞留期有关。,V1=(GfHRT)/qyV1消化器中消化液容积（m3）；G消化器每日进原料量（kg/d）；f原料干物质含量（%）；HRT消化器水力滞留期（d）；q消化液浓度（TS）（%）；y消化料液密度（kg/m3）。,55,消化器的总容积,消化器总容积=消化器中消化液容积（V1）+消化器的储气容积（V2）一般取V2=（8%10%）V1V=V1+V2=（GfHRT）/qy*(1+10%),按所选用的消化器类型来相应地确定消化器的内径和高度,56,厌氧消化器设计关键参数,厌氧消化器设计的关键参数主要有水力滞留时间、有机负荷、容积负荷、污泥负荷、消化器容积等。,水力滞留时间（HRT）:水力滞留时间对于厌氧工艺的影响是通过流速来表现的。1.高流速将增加系统内的扰动，从而增加了生物污泥与物料之间的接触，有利于提高消化器的降解率和产气率；2.为了保持系统中有足够多的污泥，流速不能超过一定的限值。在传统的UASB系统中，上升流速的平均值一般不超过0.25m/s，而且反应器的高度也受到限制。,57,有机负荷,有机负荷指每日投入消化器内的挥发性固体与消化器内已有挥发性固体的质量之比，单位为kg/(kg.d)。有机负荷反映了微生物之间的供需关系，是影响污泥增长、污泥活性和有机物降解的重要因素，提高有机负荷可加快污泥增长和有机物降解，也可使反应器的容积缩小。对于厌氧消化过程来讲，有机负荷对于有机物去除和工艺的影响尤为明显。当有机负荷过高时，可能发生甲烷化反应和酸化反应不平衡的问题。有机负荷不仅是厌氧消化器的重要设计参数，也是重要的控制参数。,58,容积负荷容积负荷为1立方米消化器容积每日投入的有机物（挥发性固体VS）质量，单位为kg/（m3d）。,污泥负荷污泥负荷可由容积负荷和反应器污泥量来计算得到。采用污泥负荷比容积负荷更能从本质上反映微生物代谢同有机物的关系。特别是厌氧反应过程，由于存在甲烷化反应和酸化反应的平衡关系，采用适当的污泥负荷可以消除超负荷引起的酸化问题。,59,消化池容积,容积负荷与有机负荷是消化器容积设计的主要参数。消化池容积V=每日能够接受并将其降解到预定程度的有机污染物（BOD）/消化池容积负荷率（NV）V=(10Vn)/P式中V消化池污泥区容积，m3；Vn每日需处理的污泥或废液体积，m3/d；P设计投配率，%/d，通常采用5%12%/d。,60,设计注意问题,消化器的单体有效容积确定后，在设计时需要注意4点：1.消化器的数目以不小于两座为好，以便检修时至少仍有一个消化器能工作。当设置两座消化器时，总有效容积应比计算值大10%。2.消化器内液面的高度应考虑的因素：有效池容应尽量大；表面积应尽量小（面积小浮渣层易破碎）；液面升高时物料不进入沼气管；用沼气循环搅拌时产生的飞沫不会进入沼气引出管。,61,3.厌氧消化器一般采用圆柱形结构，柱形池体的直径一般为635m，柱体高与直径之比约为0.82.0，池底保持一定坡度，池顶部集气罩高度常采用0.51.5m，池体至少应设两个直径为0.7m的入孔。4.消化器必须附设各种工艺管道，以确保其正常运行。工艺管道包括进料管、循环管、排水管、排泥管、溢流管、沼气管和取样管等。,62,厌氧消化器排泥管道设计要点,（1）剩余污泥排泥点以设在污泥区中上部为宜。（2）矩形池排泥应沿池纵向多点排泥。（3）对一管多孔式布水管，可以考虑进水管兼做排泥或放空管。（4）原则上有两种污泥排放方法：在所希望的高程处直接排放；采用泵将污泥从反应器的三相分离器的开口处泵出，可与污泥取样孔的开口一致。排泥的高度是重要的，合理高度应是能排出低活性污泥并将最好的高活性污泥保留在反应器中。,63,消化器的保温设计,设计原则:当地最低气温确定保温层的厚度。Q=24F（T2-T1)/Q=CG（T3T2）Q每天进料热量或消化器散失的热量（kJ）；C料液比热容kJ/（kg）；G日进料液量（kg）；T3进料料液温度（）；T2消化液温度（）；T1最低环境温度（）；保温材料的热导率kJ/（mh）；F消化器导热面积（m2）；保温层厚度（m）。,64,沼气的净化,1-水封；2-气水分离器；3-脱硫塔；4-沼气入口；5-自来水入口；6-再生同期放散阀,65,1.沼气脱水原理与方法,（1）对高、中温厌氧反应生成的沼气温度应进行适当降温，通过重力法，即常用沼气气水分离器的方法，将沼气中的部分水蒸气脱除。（2）在输送沼气管路的最低点设置凝水器。脱水装置为了使沼气的气液两相达到工艺指标的分离要求，常在塔内安装水平及竖直滤网，当沼气以一定的压力从装置上部促使沼气中的水蒸气与沼气分离，水滴沿内壁向下流动，积存于装置底部并定期排除。这种凝水器分为人工手动和自动排水两种。,66,沼气气水分离器设计原则：,进入分离器的沼气量应按平均日产气量计算